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【摘要】本文对太赫兹成像的技术特点和技术原理进行了总结介绍，并对其在各种应用场合作了详细的介绍。
【关键词】太赫兹 成像 应用
【中图分类号】R2【文献标号】A【文章编号】2095-9753（2018）10-0202-01
1 引言
太赫兹泛指频率在0.1-10THz之间的电磁波，位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。20 世纪80 年代随着技术和材料的发展, 尤其是超快激光技术和半导体材料科学技术的发展, 为太赫兹电磁波的产生和探测提供了有效途径。在很多领域, 如生物学、医学、化学、农学、天文学、国防安全和通信等, 掀起了一股太赫兹研究应用的热潮。
2 太赫兹技术特点
2.1高透性： 电磁波的穿透能力是随着频率的提高而下降的。太赫兹对许多介电材料和非极性物质由良好的穿透性，可以对不透明物体进行透视成像，可以用来作为X射线和超声波成像技术的有效互补，用于无损检测。另外，太赫兹在浓烟、沙尘环境中损耗很小，是火灾救护、沙漠救援、战场寻敌等复杂环境中的理想光源。
２.2 低能性： 太赫兹光子能量大约为4.1 meV，仅仅为X射线光子能量的10-7-10-8，能量低于各种化学键的键能。因此，太赫兹辐射不会导致光致电离，因而不会破坏被检物质，非常适用于人体或其他生物样品的活体检查。同时，水对太赫兹波段有极强的吸收，因此太赫兹不会穿透人体的皮肤，对人体很安全。
2.３指纹谱性：太赫兹波段包含了丰富的物理、化学信息。大多极性分子和生物大分子的振转能级跃迁都处在这一波段，因此太赫兹光谱成像技术可以分辨物体的形貌，鉴别物体组分，分析物体的物理化学性质。
3 太赫兹的产生
传统的太赫兹源（高压汞、弧灯和碳硅棒）主要是非相干的热辐射源。此外，还有基于光学方法的太赫兹源、基于电子学方法的太赫兹源，以及基于等离子体方法的太赫兹源。
3.1 基于光学方法的太赫兹源
目前，基于光学方法的太赫兹源主要有基于半导体瞬态电流的太赫兹源、基于非线性效应的太赫兹源和太赫兹气体激光器。其中，瞬态电流太赫兹源包括光电导机制和半导体表面产生机制；而基于非线性效应的太赫兹源包括光整流机制，光混频机制和参量源。光学方法所产生的太赫兹辐射大多为 宽带脉冲辐射，但也有例外，如光混频和气体激光器会产生窄带连续太赫兹波。光电导机制通常使用光电导材料作为辐射天线产生瞬态电流。
3.2基于电子学方法的太赫兹源
基于电子学方法的太赫兹源通常可产生窄带连续太赫兹波，是比较容易实用化的太赫兹源。基于该方法的太赫兹源也可大致分为三类：太赫兹真空微电子器件、太赫兹相对论性器件和太赫兹半导体激光器。
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3.3 基于等离子体方法的太赫兹源
基于该方法的太赫兹源同样也可分为三类：空气中光丝产生太赫兹、激光尾场产生太赫兹和表面等离子产生太赫兹。空气中光丝产生太赫兹的技术可使太赫兹完全摆脱距离的限制，科学家推测可在几公里以外产生出太赫兹脉冲，同时也避免了太赫兹在空气 中传输被水份吸收的问题，目前，相关的基本产生机制还没有定论，许多人建立了各自的模型来对这一现 象进行解释。
4 太赫兹成像
太赫兹光谱和成像是太赫兹应用研究的两大基础领域[1]。太赫兹光谱中包含了丰富的物理和化学信息，许多物质在太赫兹波段都有指纹谱。利用太赫兹光谱技术不但可以对样品进行静态的高时间分辨率非接触式的相干测量，也可以探测样品的动态信息，对样品的细微变化进行快速精确的分析和判断。
激光光束作为泵浦和探测光源由飞秒激光器出来后被分束镜分为两束，其中透过分束镜的一束作为泵浦光，经过延迟平台照射在发射极InAs 晶体上，在半导体表面激发出有效频率范围约为0.2-2.6 THz的太赫兹脉冲，此脉冲经由抛物面镜（PM）聚焦和准直后，汇聚到被测量的样品上。被分束镜分出的较弱的一束为探测光束，它和从样品透射后载有样品信息的太赫兹电磁脉冲共线经过碲化锌（ZnTe）探测晶体，测量探测光偏振态的变化即可得到载有样品信息的太赫兹脉冲电场的信息。由平衡二极管（Detector）进行平衡探测，然后经过锁相放大器放大后输入计算机进行处理。图中样品被安放在一个由电脑控制的二维平移台上，置于第二个抛物面镜的焦点处。在逐点扫描成像过程中，通过一个x-y的移动台来改变样品的方位，从而使太赫兹脉冲通过样品的不同点，对不同时间延迟样品进行扫描，这样就得到了x-y平面上每一空间点上带有样品信息的透射时域波形。通过傅里叶变换将时域波形转化为对应每一点的太赫兹频率谱。只要从每一点的光谱中提取出选定的振幅或位相信息，就可以获得一组二维(x×y)矩阵的数据，进行成像。
5 太赫兹成像技术的应用
5.1 生物医学中的应用
（1）安全性
太赫兹辐射的能量远远未达到一般物质电离的程度，因此从这一角度来讲太赫兹辐射是安全的。同时，大多数太赫兹成像系统的功率量级小于1 μW，远远小于人体产生的太赫兹辐射功率量级（1 W），因此热效应也是可以忽略的。总体看来，目前太赫兹成像探测生物样品是安全的，其具备着医学应用潜力。
（2）分子间相互作用的敏感性
太赫兹能够适于生物医学系统研究的一个重要之处在于存在着以太赫兹频率谐振的分子间振动。这些分子间相互作用具有弱而低的能量振动，且具有与分子结构相关的广泛特性。例如，由于氢键存在，太赫兹辐射具有较强的水蒸汽吸收，因此人体组织水成分微小的变化都可以用太赫兹光检测到。
5.2 工业中的应用
工业生产中的成像系统要求设备结实、鲁棒，能够在工业生产环境中使用。同时，对于工艺参数的测量的灵敏度，以及设备的成本、可靠性等也有一定要求。太赫兹成像应用于工业生产可以实现较高的灵敏度和对比度，这是一个与常用的检测手段（如远红外技术）的主要区别。
太赫兹波段对多种材料都有很好的透射性，因此在无损检测中有着广泛的应用。例如，对于食品基质的潜在污染、混合物的均匀性、微电子封装失误、半导体失效、聚合物检测等领域有着重要作用。太赫兹成像的高信息量可以实现实时的扫描成像。在制药工业中，药物材料的微结构、分布、特定的大小或形态都会影响其物理属性。随着复杂聚合物包衣及不溶性多孔基质结构固态剂型等新型施药技术的出现，对药物的微结构成像有着更加强烈的需求。由于太赫兹辐射对大部分药片辅料是（半）透射的，可以获得深度无损成像，而大多数药物分子是小有机分子晶体，在太赫兹波段由明显的振动模式，利用太赫兹成像对不同的药物分子进行定量区分也是可行的。
5.3安防中的应用
由于太赫兹波段的电磁辐射是非电离的，它的应用不受频繁暴露在核辐射和X射线及相关的公共健康问题的影响。同时，对于隐藏爆炸物和武器等探测需要远距离成像，太赫兹成像已经显现出可以应用其中的潜力。
5.4 艺术品分析中的应用
在对艺术品进行保护之前，为了便于确定处理过程，有必要进行初步的无损调查。而成像技术是一个比较好的应用方案。虽然在此领域有多重成熟的成像方法，太赫兹成像以其能够获得透射成像、获取绘画层（颜料、染料、粘合剂）化合物的光谱等独特的特点，可以作为一种成像技术的有力补充。
参考文献：
[1] 杨昆，太赫兹时域光谱成像的研究 [D]，首都师范大学， 2009。
论文作者:宋光
论文发表刊物:《中国医学人文》2018年第10期
论文发表时间:2019/3/11
标签：样品论文; 方法论文; 技术论文; 光谱论文; 波段论文; 脉冲论文; 分子论文; 《中国医学人文》2018年第10期论文;